CN102169283B - 一种基于投影机阵列的悬浮式360°视场三维显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于投影机阵列的悬浮式360°视场三维显示装置。该装置包括平面环型散射屏、投影机阵列、图像分割器和计算机。计算机对三维模型进行处理，通过图像分割器进行图像分配，并将图像阵列传入投影机阵列。投影机阵列将传入的三维物体水平360°全景视场的组合图像阵列投影到平面环型散射屏上。平面环形散射屏可控制出射光线的发散角度，使得观察者的左右眼看到不同视角的图像，实现显示的三维物体悬浮在平面环型散射屏的上方。基于投影机阵列的悬浮式360°视场三维显示可供多人360°环绕裸眼观看，实现空间消隐并可探入触摸交互。

Description

一种基于投影机阵列的悬浮式360°视场三维显示装置

技术领域

本发明涉及显示装置，尤其涉及一种基于投影机阵列的悬浮式360°视场三维显示装置。

背景技术

目前，随着平板显示、数字图像处理等技术的发展，三维显示技术得到了快速的发展，正在逐渐走进我们的日常生活。三维显示主要是通过人的视觉感知等暗示来产生立体视觉，从而让人感知到显示物体的深度信息。三维显示技术的应用也十分广泛，在生物医学、建筑规划、影视娱乐、视频通信、科学展示和商品广告等许多领域都有很好的应用前景。目前已广泛应用并推向市场的三维显示主要为视差型的三维显示。在实际生活中，当人的双眼观看物体时，左右眼位于左右不同的位置以稍微不同的角度来观察，从而在视网膜上形成略有差异的图像，经人的大脑融合后便会感知到具有深度信息的三维图像。视差型三维显示有很多具体的实现方式，主要分为体视三维显示和自动体视三维显示。体视三维显示需要佩戴眼镜等助视工具，通过眼镜和图像的配合，来保证观察者的双眼看到分别对应于左右眼的图像，从而产生立体视觉。这种方法主要采用互补色、偏振光或液晶开关等，目前已经普遍应用于3D电影、3D电视等领域。但是这种方式需要借助外部工具，且不能实现360°环绕观看，长期观看易造成人眼的视觉疲劳等不适应状况。自动体视三维显示是一种无须佩戴眼镜等辅助工具即可使双眼看到具有双目视差图像的三维显示技术。这种方法多采用视差栅栏、柱镜光栅等结构，使观察者在固定的一些区域裸眼观看，产生三维立体视觉。基于这种技术的三维电视产品已经商业化，并开始进入家用市场。但这种方式也不能实现360°环绕观看，且只能在固定的可视区域内观察，视角数较少。全景视场三维显示是一种通过模拟人眼观察实际三维场景的方式，在不同的视角显示出三维场景对应于这一视角的图像，通过高密度的视角分割，使观察者在一周不同位置均能看到与此位置相对应的实际三维场景的真实三维再现。这种显示方式完全符合人眼客观观看三维物体的方式，再现出具有空间透视遮挡关系的三维物体，可多人360°环绕裸眼观看。目前，实现这种三维显示多数采用显示媒介运动的方式，并且显示的三维物体空间与显示媒介运动的方式基本重叠，故不能实现触摸交互。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于投影机阵列的悬浮式360°视场三维显示装置。

 一种基于投影机阵列的悬浮式360°空间三维显示装置包括透射式平面环型散射屏、投影机阵列、图像分割器和计算机，其中投影机阵列位于透射式平面环型散射屏下方并垂直往上投影，投影机阵列呈圆周分布且相互之间的间隔相等，透射式平面环型散射屏把投影机阵列的投影光线往透射式平面环型散射屏的屏幕中心方向偏折；投影机阵列、图像分割器和计算机顺次相连。

所述的透射式平面环型散射屏是由环状锯齿型光栅屏和环状柱面光栅屏上下组合而成。所述的透射式平面环型散射屏是全息透射屏。

另一种基于投影机阵列的悬浮式360°空间三维显示装置包括投影机阵列、图像分割器、计算机 和反射式平面环型散射屏，其中投影机阵列位于反射式平面环型散射屏上方并垂直往下投影，投影机阵列呈圆周分布且相互之间的间隔相等，反射式平面环型散射屏把投影机阵列的投影光线往反射式平面环型散射屏的屏幕中心方向反射偏折；投影机阵列、图像分割器和计算机顺次相连。

所述的反射式平面环型散射屏是由环状柱面光栅屏和环状反射式锯齿型光栅屏上下组合而成。所述的反射式平面环型散射屏是全息反射屏。所述的图像分割器包括现场可编程门阵列、存储器和数字/模拟视频转换器阵列；其中现场可编程门阵列分别连接存储器和数字/模拟视频转换器阵列。   

本发明提出一种基于投影机阵列的360°视场空间显示装置，该显示装置通过利用透射式/反射式平面环形散射屏来实现悬浮式空间三维显示，实现了实际显示媒介与三维显示空间的分离，显示的三维场景悬浮于透射式/反射式平面环形散射屏上方，可探入进行触摸交互，以便实现交互性的三维显示。

附图说明

图1是一种基于投影机阵列的悬浮式360°空间三维显示装置结构示意图；

图2是本发明的透射式平面环型散射屏的结构图；

图3是另一种基于投影机阵列的悬浮式360°空间三维显示装置结构示意图；

图4是本发明的反射式平面环型散射屏的结构图；

图5是本发明的图像分割器的组成模块及数据关系框图；

图中：透射式平面环型散射屏1、投影机阵列2、图像分割器3、计算机4、反射式平面环型散射屏5、环状锯齿型光栅屏11、环状柱面光栅屏12、现场可编程门阵列31、存储器32、数字/模拟视频转换器阵列33、环状柱面光栅屏51、环状反射式锯齿型光栅屏52。

具体实施方式

基于投影机阵列的悬浮式360°空间三维显示装置可以实现悬浮式可触摸的全景视场三维显示。悬浮式全景视场空间三维显示通过投影机阵列将不同视角显示三维物体的各个视场图像投影到平面环型散射屏上。由于平面环型散射屏对各个视场图像发光角度的限制，使得周围的观察者的左右眼看见不同的图像，从而产生立体视觉。采用这种方法的显示物体悬浮于平面环型散射屏上方，可探入触摸交互，并且具有透视消隐、水平360°视场多人裸眼同时观看等特点。

如图1所示，一种基于投影机阵列的悬浮式360°空间三维显示装置，包括透射式平面环型散射屏1、投影机阵列2、图像分割器3和计算机4。其中，投影机阵列2位于透射式平面环型散射屏1下方并垂直往上投影，将三维场景经处理后各个视场的图像投影到透射式平面环型散射屏1上。透射式平面环型散射屏1控制投影机阵列2的投影光线的出射角度。在垂直方向上，透射式平面环型散射屏1把透射的投影机阵列2的投影光线往透射式平面环型散射屏1的屏幕中心方向偏折；在水平方向上，以比较小的发散角度出射，其角度大小由投影机阵列2的位置和角度间隔、透射式平面环型散射屏1的偏折角度以及观察者的位置等多个系统参数决定。对于投影机阵列2中的一台投影机，观察者在某一固定的视点上观看，只能看到这台投影机投出图像的一部分窄条。而对于这一视点观看的实际图像则为投影机阵列2中连续多台投影机投出窄条图像的组合图像。当视角间隔足够密的时候，人的双眼分别位于两个不同的视角，则看到不同的图像，从而产生立体视觉。投影机阵列2呈圆周分布且相互之间角度间隔相等，其中轴与透射式平面环型散射屏1的中轴重合。当投影机阵列2分布的角度间隔越小，显示三维场景的视角数越多，每一视角所观察到的图像越细腻。投影机阵列2的分布可为单层或多层结构。若为单层结构，投影机阵列2按同一个圆周分布，保证能覆盖整个透射式平面环型散射屏1。由于投影机的尺寸限制或屏幕较大等原因，要保证覆盖整个透射式平面环形散射屏1且有较小的角度间隔，投影机阵列2的分布可为多层结构，可按多个同心的圆周分布，在径向上将投影机错开。投影机阵列2、图像分割器3和计算机4顺次相连。计算机4对需要显示的三维场景进行处理计算得到供投影机阵列2投影的图像，并将这些图像数据打包传入图像分割器3。图像分割器3将这些打包的图像数据进行分割并分配传输给投影机阵列2中的各个投影机。

如图2所示，所述的透射式平面环型散射屏1是由环状锯齿型光栅屏11和环状柱面光栅屏12上下组合而成。透射式平面环型散射屏1主要是用于控制出射光的角度，保证周围的观察者的双眼看到对应于其位置的图像来产生双目视差。在垂直方向上，透射式平面环型散射屏1把透射的投影机阵列2的投影光线往透射式平面环型散射屏1的屏幕中心方向偏折；在水平方向上，以比较小的发散角度出射，其角度大小由投影机阵列2的位置和角度间隔、透射式平面环型散射屏1的偏折角度以及观察者的位置等多个系统参数决定。环状锯齿型光栅屏11主要用于将投影机阵列2的投影光线往屏幕中心方向偏折，实现透射光线在垂直方向上的角度限制。环状柱面光栅屏12主要用于将投影机阵列2的投影光线均以小角度出射，实现透射光线在水平方向上的发散角度限制。投影光线通过环状锯齿型光栅屏11和环状柱面光栅屏12的角度限制，保证观察者在每个视点位置都能观察到对应于这一位置的视差图像。

如图3所示，一种基于投影机阵列的悬浮式360°空间三维显示装置，包括投影机阵列2、图像分割器3、计算机4和反射式平面环型散射屏5。其中，投影机阵列2位于反射式平面环型散射屏5上方并垂直往下投影，将三维场景经处理后各个视场的图像投影到反射式平面环型散射屏5上。反射式平面环型散射屏5控制投影机阵列2的投影光线反射后的出射角度。在垂直方向上，反射式平面环型散射屏5把反射的投影机阵列2的投影光线往反射式平面环型散射屏5的屏幕中心方向偏折；在水平方向上，反射后以比较小的发散角度出射，其角度大小由投影机阵列2的位置和角度间隔、反射式平面环型散射屏5的偏折角度以及观察者的位置等多个系统参数决定。对于投影机阵列2中的一台投影机，观察者在某一固定的视点上观看，只能看到这台投影机投出图像的一部分窄条。而对于这一视点观看的实际图像则为投影机阵列2中连续多台投影机投出窄条图像的组合图像。投影机阵列2呈圆周分布且相互之间角度间隔相等，其中轴与反射式平面环型散射屏5的中轴重合。当投影机阵列2分布的角度间隔越小，显示三维场景的视角数越多，每一视角所观察到的图像越细腻。投影机阵列2的分布可为单层或多层结构，保证能覆盖整个反射式平面环型散射屏5。投影机阵列2、图像分割器3和计算机4顺次相连。计算机4对需要显示的三维场景进行处理计算得到供投影机阵列2投影的图像，并将这些图像数据传入图像分割器3。图像分割器3将这些图像数据进行分配传输给投影机阵列2中的各个投影机。

如图4所示，所述的反射式平面环型散射屏5由环状柱面光栅屏51和环状反射式锯齿型光栅屏52上下组合而成。反射式平面环型散射屏5主要是用于控制出射光的角度，保证周围的观察者的双眼看到对应于其位置的图像来产生双目视差。在垂直方向上，反射式平面环型散射屏5把反射的投影机阵列2的投影光线往屏幕中心方向偏折；在水平方向上，反射后以比较小的发散角度出射，其角度大小由投影机阵列2的位置和角度间隔、透射式平面环型散射屏1的偏折角度以及观察者的位置等多个系统参数决定。环状柱面光栅屏51主要用于将投影机阵列2的投影光线均以小角度出射，实现透射光线在水平方向上的发散角度限制。环状反射式锯齿型光栅屏52主要用于将投影机阵列2的投影光线往屏幕中心方向反射偏折，实现反射光线在垂直方向上的角度限制。

如图5所示，所述的图像分割器3包括现场可编程门阵列31、存储器32和数字/模拟视频转换器阵列33。其中现场可编程门阵列31分别连接存储器32和数字/模拟视频转换器阵列33。计算机4对需要显示的三维场景进行处理计算得到供投影机阵列2投影的图像，并将这些图像数据打包传入现场可编程门阵列31。现场可编程门阵列31对传入的打包数据进行解压缩、解码等处理并可存入存储器32以供静态的三维场景的再现。在实际的显示过程中，现场可编程门阵列31将传入的图像数据或已存入存储器32的数据根据投影机阵列2的投影机数量进行分割并分配，再将数字信号传入数字/模拟视频转换器阵列33进行模数转换来适应投影机阵列2的接口模式。数字/模拟视频转换器阵列33将数字信号进行处理后传入投影机阵列2，并控制投影机阵列2中各个投影机的同步显示来实现动态三维场景的再现。

Claims (3)

1.一种基于投影机阵列的悬浮式360°空间三维显示装置，其特征在于包括透射式平面环型散射屏(1)、投影机阵列(2)、图像分割器(3)和计算机(4)，其中投影机阵列(2)位于透射式平面环型散射屏(1)下方并垂直往上投影，投影机阵列(2)呈圆周分布且相互之间的间隔相等，在垂直方向上，透射式平面环型散射屏（1）把透射的投影机阵列（2）的投影光线往透射式平面环型散射屏（1）的屏幕中心方向偏折；在水平方向上，以小的发散角度出射；投影机阵列(2)、图像分割器(3)和计算机(4)顺次相连；所述的透射式平面环型散射屏(1)是由环状锯齿型光栅屏(11)和环状柱面光栅屏(12)上下组合而成。

2.一种基于投影机阵列的悬浮式360°空间三维显示装置，其特征在于包括投影机阵列(2)、图像分割器(3)、计算机(4) 和反射式平面环型散射屏(5)，其中投影机阵列(2)位于反射式平面环型散射屏(5)上方并垂直往下投影，投影机阵列(2)呈圆周分布且相互之间的间隔相等，在垂直方向上，反射式平面环型散射屏（5）把反射的投影机阵列（2）的投影光线往反射式平面环型散射屏（5）的屏幕中心方向偏折；在水平方向上，反射后以比较小的发散角度出射；投影机阵列(2)、图像分割器(3)和计算机(4)顺次相连；所述的反射式平面环型散射屏(5)是由环状柱面光栅屏(51)和环状反射式锯齿型光栅屏(52)上下组合而成。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于投影机阵列的悬浮式360°空间三维显示装置，其特征在于所述的图像分割器(3)包括现场可编程门阵列(31)、存储器(32)和数字/模拟视频转换器阵列(33)；其中现场可编程门阵列(31)分别连接存储器(32)和数字/模拟视频转换器阵列(33)。

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